邵 渊 王如竹
(上海交通大学制冷与低温工程研究所 上海 200030)
摘 要 介绍了膜分离的原理及各参数对分离过程的影响,并给出在理想情况下二元混合物所能得到的易透过组分在渗透物中的浓度计算公式。介绍了膜分离在家用医疗保健中的应用———小型家用膜分离富氧机,并对其进行了分析。
主题词 膜分离 富氧 医疗保健
1 引 言
时代的进步,导致竞争激烈、生活与工作节奏的加快。大量的用脑、忙碌的工作、沉重的工作与生活压力,再加上城市空气污染所导致的空气含氧量的下降,可能会使你头晕目眩,四肢乏力,机体供氧不足。呼吸富氧空气已不再是那些患有哮喘病、肺气肿等病人的需要,而成为现代人实现自我调节及自我放松的一种方式与手段。然而,对于制富氧,一般采取低温精馏、物理或化学吸收及活性炭或沸石的吸附等技术,但是由于利用这些技术的装置或因为体积庞大,或由于成本高且无法连续工作,或由于存在安全性问题,一直无法制成小型家用制富氧设备,以使消费者不能在家中即可呼吸富氧空气。如何发明一种成本低且能连续使用的家用富氧装置是人们长期以来的夙愿。
近年来,由于反渗透技术的迅速发展,高选择性膜的开发及制造技术的日趋成熟,膜工艺技术在工业生产中的应用日益广泛。由于采用膜分离技术的装置具有投资少,开停车方便等优点,使其在中小规模的空分系统方面有着重要的地位。
本文将对膜工艺分离气体的原理及其在家用医疗保健中的应用———小型家用膜分离富氧机装置实现的可行性进行分析。
2 膜分离的理论分析及各参数的影响
2.1 原理及理论分析
用膜分离气体主要是由于混合原料气中各组分在压力的作用下,通过半透膜的相对传递速率不同而得以实现气体分离。就传质过程而言,可将膜分为两种类型:多孔膜和溶解—扩散膜。由于在气体分离方面,主要使用溶解—扩散膜,故以下分析都是以溶解—扩散膜为对象。考虑到家用制富氧设备一般是以空气为原料气体,为了便于对膜分离过程进行分析与计算,可将空气认为是由氮气与氧气组成的两组分混合气体。下面将以二元混合物为例,推导描述局部特性的方程。
对于膜分离永久性气体混合物而言,气体穿过膜的流量可用下式计算:
其中Ft(mol/s)为单位时间透过膜的气体摩尔数,At(m 2)为膜面积,Q[mol/ (s·m 2·Pa)]为气体的渗透系数,δ(m)为膜厚度,p h(Pa)与p 1(Pa)分为膜的高压侧与低压侧的压力。
考虑到膜具有复杂的不对称结构,为了便于分析,首先需对膜前膜后的浓度特性作出如下假设: (1)膜前的浓度梯度是可忽略的; (2)多孔支撑层中的压力损失可忽略; (3)透过气体为自由流出的渗透物。有了以上3个假设,我们便可以对气体分离过程建模(图1)。图1中Ft(mol/s)为混合气进入膜组件流量,xf,xo,xp,为易透膜(即透过膜而被提浓)的组分在进口高压侧、低压侧的摩尔浓度。Fo(mol/s)为浓缩气体的流量Fp(mol/s)为渗透物的流量,δ为膜厚。
2.2 各参数的影响及极限浓度的分析
图2描绘了方程(6)的计算结果。从图中我们可以看出分离特性随着压比γ的增加及分离因子α增大而得以改善。但是分离特性同时也受到分离因子α及压比γ的制约,即使是理想的高选择性膜(α→∞)也不可能进行无限的提浓。在α=∞,γ=∞的极限情况下,由方程(6)推导出可得到的提浓程度上限为
3 膜分离的应用———小型家用膜分离富氧机
有了以上理论分析的基础,我们便可以对小型家用膜分离富氧机进行设计与讨论。
3.1 系统的结构与工作原理
小型家用膜分离富氧机(下简称富氧机)是膜分离制氧技术在民用方面的一个应用。其基本原理是,利用原料中氧气与氮气组分在压力作用下通过半透膜的相对传递速率不同而得到富氧空气。由于其消费对象为普通家庭,必须考虑家庭对富氧空气需求的特点及对富氧机的要求。一般家庭对富氧空气的用量较少(一般小于10L/min),且对富氧空气的含氧量要求相对较低(通常为38%~50%),而对富氧机则希望其体积小、成本(包括制造成本及运行费用)低,能连续工作,且能即开即用,操作方便,使用安全。
考虑到以上几个因素,图3绘出了富氧机的设计原理图
我们考虑到系统的实现及维护方便,采用了正压运行状态。考虑到家庭对富氧空气的含氧量要求不高,故采用单级形式。考虑到膜组件的价格(指在给定膜面积的情况下)随着其选择性α的增大而增加,为了降低装置的制造成本,系统采用选择性一般的膜材料。为了保证所能得到的富氧空气的含氧量大于40%,采用带有渗透物再循环的单级形式。
整个装置具体的运行过程如下:首先,作为原料气的空气通过作为预处理设备的空气过滤器,以除去空气中大部分灰尘,防止堵塞膜组件。然后,原料气与循环气混合后进入压缩机,成为高压原料气。为了防止膜组件因原料气温度过高而损坏,及降低其分离性能,高压原料气在进入膜组件前须先通过冷却器,以便原料气温度降低到膜组件的工作温度(一般为25°C到45°C)。然后,高压原料气进入膜组件分离成为两股气体———富氧空气与富氮空气。
富氧空气一部分作为循环物再进行循环,以提高原料气的含氧量。其余部分则供用户使用。通过调节阀门A的开度,用户可以控制渗透物再循环的流量,从而可以得到不同浓度的富氧空气,以满足用户的不同需要。考虑到节能,则将浓缩气(富氮空气)直接排向冷却器。因其压力一般在0.12 MPa左右,可利用其大气环境的压差,增大冷却器的换热系数,提高冷却器的换热效果。通过该装置能使用户呼吸到干净的富氧空气。
通过以上分析,我们对于该富氧机的工作过程有了个定性的认识,下面我们将对其性能进行分析。
3.2 性能分析
因膜组件的材料及其工作压力直接决定了系统的性能,故在对系统进行性能分析前必须选定膜组件的材料及其工作压力。
以下分析采用ph=0.6 MPa,压比γ=5。
表1给出国外一些公司所生产的膜材料的性能。
以A/GTechnology公司生产的乙基纤维素作为膜组件的材料,其分离性能如下:
氧渗透率 QO2=0·015 kmol/ (h·m2·0·1 MPa)
选择性 α=3·8
3.2.1 富氧空气的浓度及产量分析
为了便于计算,认为空气是由氮气及氧气组成的两元混合物。如系统不采用渗透物再循环(即阀门A关闭),且认为其工作在理想情况下(即不考虑浓差极化的影响),则因x02=0.21,γ=5,α=3.8
代入式(6),可得:yp=41.7%
由于式(6)是在没有考虑浓差极化时,在理想情况下所得到的公式,考虑到理想与实际运行时存在着差异,以及在实际运行中采用渗透物再循环提高x0以提高yp,故装置在实际运行过程中所得的富氧空气的浓度范围为38%~50%。考虑到家庭对富氧的用量一般较少,为了减少膜面积以降低成本,故其富氧空气的产量设定为(2~8) L/min。
3.2.2 能耗分析与产品的成本估算
膜两侧的气体压力差是膜分离混合气体的动力,故在系统中,必须有压缩机对气体进行加压,以实现膜两侧的压力差,从而产生气体分离的动力。考虑到整个系统的阻力因素,则认为压缩机的进口压力p1=0.1MPa,而出口压力p2=0.7MPa,故1 mol气体从p1加压到p2所需要的理论耗功W可由下式计算:
取n=1.25, T=303 K,则可得W=206.87 kJ/mol
由于实际压缩过程并非理想过程,存在余隙容积、压缩机效率及其它一些不可逆因素的影响,故整个系统的实际功率在270 W左右。
本装置的成本(单考虑材料费用)在2400元左右,其中膜组件的费用至少占60%。考虑到其成本与功耗及中国家庭目前的实际收入水平,该产品在中国应具有较大的市场。
4 结 论
通过以上对膜分离的原理及家用膜分离富氧气机的分析,我们可以发现:因为膜分离技术的诸多优点(如投资少,开停机方便,使用安全可靠),使其在家用医疗保健方面有着广阔的前景,将膜分离技术运用到家用制富氧设备上的方案是可行的。小型家用膜分离机在技术上、成本上也都是可行的。国外一些大公司早在十几年前即对这方面进行尝试,如美国富氧(OE)公司采用GE公司开发的膜研制成功一种小型富氧机OE-3A,其体积为762 mm×356 mm×406 mm,形状与大小如一家用床头柜,可连续不断的提供40%氧浓度的空气。
我们期待着小型家用膜分离富氧机能在不久的将来进入家庭。
参考文献
1 [德] R Rautenbach著,王乐夫译·膜工艺—组件和装置设计基础·北京:化学工业出版社, 1998
2 王学松·膜分离技术及其应用·北京:科学出版社, 1994
3 日本膜学会·膜分离过程设计法·北京:科学技术文献出版社, 1988
4 Baker R W. Membrane Separation Systems-Recent Developments and Future Directions. Noyes Data Corporation, 1991
